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第9章机械零件设计概论机械零件设计概述9.1机械零件的强度9.2机械零件的接触强度9.3机械零件的耐磨性9.4机械制造常用材料及其选择9.5机械零件的工艺性及标准化9.7公差与配合、表面粗糙度和优先数系9.69.1机械零件设计概述多种可能的失效形式，但归纳起来最主要的为强度、刚度、耐磨性、稳定性和温度的影响等几个方面的问题。零件的设计常按下列步骤进行：①拟定零件的计算简图；②确定作用在零件上的载荷；③选择合适的材料；④根据零件可能出现的失效形式，选用相应的判定条件，确定零件的形状和主要尺寸。应当注意，零件尺寸的计算值一般并不是最终采用的数值，设计者还要根据制造零件的工艺要求和标准、规格加以圆整；⑤绘制工作图并标注必要的技术条件。在实际工作中，也常采用相反的方式——校核计算。9.2机械零件的强度limlimSS≤，而≤，而应力可分为静应力和变应力。9.2.1应力的种类图9-1应力的种类对于塑性材料，可按不发生塑性变形的条件进行计算。这时应取材料的屈服极限s作为极限应力，其许用应力为9.2.2静应力下的许用应力sS对于用脆性材料制成的零件，应取强度极限B作为极限应力，其许用应力为BS1．疲劳曲线2．许用应力9.2.3变应力下的许用应力图9-3疲劳曲线可参考下述原则选择安全系数。①静应力下，塑性材料以屈服极限为极限应力。由于塑性材料可以缓和过大的局部应力，故可取安全系数S=1.2～1.5；对于塑性较差的材料（如＞0.6）或铸钢件，可取S=1.5～2.5。9.2.4安全系数②静应力下，脆性材料以强度极限为极限应力，这时应取较大的安全系数。例如，对于高强度钢或铸铁件，可取S=3～4。③变应力下，以疲劳极限作为极限应力，可取S=1.3～1.7；若材料不够均匀、计算不够精确时，可取S=1.7～2.5。通常，零件受载时是在较大的体积内产生应力，这种应力状态下的零件强度称整体强度。9.3机械零件的接触强度图9-7疲劳点蚀图9-8两圆柱体的接触应力磨损现象是相当复杂的，有物理、化学和机械等方面原因。下面对机械中磨损的主要类型作一简略介绍。1．磨粒磨损2．粘着磨损（胶合）3．疲劳磨损（点蚀）4．腐蚀磨损9.4机械零件的耐磨性机械制造中最常用的材料是钢和铸铁，其次是有色金属合金。非金属材料如塑料、橡胶等，在机械制造中也具有独特的使用价值。9.5机械制造常用材料及其选择1．铸铁2．钢（1）碳素结构钢（2）合金结构钢（3）铸钢3．铜合金9.5.1金属材料1．橡胶2．塑料9.5.2非金属材料9.6.1公差与配合机器是由零件装配而成的。大规模生产要求零件具有互换性，以便在装配时不需要选择和附加加工，就能达到预期的技术要求。9.6公差与配合、表面粗糙度和优先数系图9-10配合的种类图9-11基孔制的配合表面粗糙度是指零件表面的微观几何形状误差。它主要是加工后在零件表面留下的微细而凸凹不平的刀痕。9.6.2表面粗糙度图9-12表征表面粗糙度的一些参数y1—轮廓峰高；y2—轮廓谷深优先数系是用来使型号、直径、转速、承载量和功率等量值得到合理的分级，这样可便于组织生产和降低成本。9.6.3优先数系9.7.1工艺性有关工艺性的基本要求如下。（1）毛坯选择合理（2）结构简单合理（3）规定适当的制造精度及表面粗糙度9.7机械零件的工艺性及标准化产品标准化本身包括三个方面的含义：①产品品种规格的系列化——将同一类产品的主要参数、型式、尺寸、基本结构等依次分档，制成系列化产品，以较少的品种规格满足用户的广泛需要；②零部件的通用化——将同一类型或不同类型产品中用途结构相似的零部件（如螺栓、轴承座、联轴器和减速器等），经过统一后实现通用互换；9.7.2标准化③产品质量标准化——产品质量是一切企业的“生命线”，要保证产品质量合格和稳定，就必须做好设计、加工工艺、装配检验，甚至包装储运等环节的标准化。这样，才能在激烈的市场竞争中立于不败之地。对产品实行标准化具有重大的意义：在制造上可以实行专业化大量生产，既可提高产品质量，又能降低成本；在设计方面可减少设计工作量；在管理维修方面，可减少库存量和便于更换损坏的零件。为了增强在国际市场的竞争能力，我国鼓励积极采用国际标准和国外先进标准。近年发布的我国国家标准，许多都采用了相应的国际标准，设计人员必须熟悉现行的有关标准。一般机械设计手册及机械工程手册（以后简称手册）中都收录摘编了常用的标准和资料，以供查阅。第10章螺纹联接螺纹的主要参数、类型、特点和应用10.1螺纹联接的类型和螺纹紧固件10.2螺纹联接的预紧和防松10.3螺栓的强度计算10.4螺栓联接的结构设计10.5静联接又可分为可拆联接和不可拆联接两大类，即螺纹联接键、花键、销联接可拆联接楔联接联接型面联接铆接不可拆联接过盈联接焊接胶接10.1螺纹的主要参数、类型、特点和应用10.1.1螺纹的主要参数10.1.2螺纹的类型、特点和应用图10-1螺纹的主要参数图10-2螺纹旋向与线数种类代号牙型图特点应用普通螺纹GB192～197—81M牙型角为60°，自锁性能好，螺牙抗剪强度高。螺纹副的小径处有间隙，外螺纹牙根允许有较大的圆角，以减小应力集中。同一直径，按螺距大小不同分为粗牙和细牙。细牙的自锁性能较好，螺纹强度削弱少，但易滑扣应用最广。一般联接多用粗牙。细牙用于薄壁零件，也常用于受变载、振动及冲击载荷的联接，还可用于微调机机构的调整管螺纹管联接用细牙普通螺纹与普通细牙螺纹相同，不需专用量刃具，制造经济，靠零件端面和密封圈密封液压系统、气动系统、润滑附件和仪表等非螺纹密封的管螺纹GB7307—87G牙型角=55°，公称直径近似为管子内径。内、外螺纹公称牙型间没有间隙多用于压力为1.568MPa以下、煤气管路、润滑和电线管路系统用螺纹密封的管螺纹GB7306—87R牙型角=55°、公称直径近似为管子内径，螺纹分布在1:16的圆锥管壁上。内、外螺纹公称牙型间没有间隙，不用填料而依靠螺纹牙的变形就可以保证联接的紧密性用于高温、高压系统和润滑系统。适用于管子、管接头、旋塞、阀门和其他螺纹管联接的附件表10-1螺纹的分类、特点和应用种类代号牙型图特点应用管螺纹60°圆锥管螺纹GB/T12716—91NPT与55°圆锥管螺纹相似，但牙型角=60°用于汽车、拖拉机、航空机械、机床等燃料、油、水、气输送系统的管联接矩形螺纹牙型为正方形、牙厚为螺距的一半，传动效率较其他螺纹高，但精确制造困难（为便于加工，可给出10°的牙型角），螺纹副磨损后的间隙难以补偿或修复，对中精度低，牙根强度弱一般用于力的传递，如千斤顶小的压力机等梯形螺纹GB5796.1～5796.4—86Tr牙型角=30°，螺纹副的小径和大径处有相等的间隙。与矩形螺纹相比，效率略低，但工艺性好，牙根强度高，螺纹副对中性好，可以调整间隙（用剖分螺纹时）应用较广，用于传动螺旋，常用于丝杠、刀架丝杆等锯齿形螺纹GB/T13576—92B工作面的牙型斜角为3°，非工作面的牙型斜角为30°，综合了矩形螺纹效率高和梯形螺纹牙强度高的特点用于单向受力的传力螺旋，如轧钢机的压下螺旋、螺旋压力机、水压机、起重机的吊钩等续表10.2螺纹联接的类型和螺纹紧固件10.2.1螺纹联接的主要类型螺纹联接有四种基本类型，即螺栓联接、双头螺柱联接、螺钉联接和紧定螺钉联接。0M26~M27M30~M481mm2mmdddd普通螺栓（或称配联接）铰制孔联接螺栓孔直径d0普通螺栓d0=1.1d铰制孔用螺栓的d0与d的对应关系见下表类型结构图尺寸关系特点及其应用螺栓联接螺纹余量长度l1为静载荷，l1≥(0.3～0.5)d；变载荷，l1≥0.75d。铰制孔用螺栓的l1应尽可能的小于螺纹伸出长度a=(0.2～0.3)d。螺纹轴线到边缘的距离e=d+(3～6)mm被联接件无需切制螺纹，结构简单，装拆方便，应用广泛。通常用于被联接件不太厚和便于加工通孔的场合。工作时，螺栓受轴向拉力，故亦常称受拉螺栓联接孔与螺栓杆之间没有间隙。用螺栓杆承受横向载荷或固定被联接件的相互位置。工作时，螺栓一般受剪切力，故也常称受剪螺栓联接表10-2螺纹联接的基本类型、特点及应用类型结构图尺寸关系特点及其应用双头螺柱联接螺纹拧入深度H钢或青铜：H≈ｄ铸铁：H=(1.25～1.5)d铝合金：H=(1.5～2.5)d螺纹孔深度H1=H+(2～2.5)ｐ钻孔深度H2=H1+(0.5～1)dl1、a、e值同普通螺栓联接情况螺柱的一端旋紧在一被联接件的螺纹孔中，另一端则穿过另一被联接件的孔。通常用于被联接件之一不太厚、不便穿孔、结构要求紧凑或经常拆装的场合螺钉联接螺纹拧入深度H为钢或青铜：H≈ｄ铸铁：H=(1.25～1.5)d铝合金：H=(1.5～2.5)d螺纹孔深度H1=H+(2～2.5)ｐ钻孔深度H2=H1+(0.5～1)dl1、a、e值同普通螺栓联接情况不用螺母，它适用于被联接件之一太厚且不经常拆装的场合紧定螺钉联接d=(0.2～0.3)dｂ，当力和转矩大时取较大值螺钉的末端顶住零件的表面或顶入该零件的凹坑中，将零件固定，它可以传递不大的载荷续表图10-3吊环螺钉联接图10-4地脚螺栓联接图10-5T型槽螺栓联接10.2.2螺纹紧固件螺纹紧固件的品种很多，大都已标准化，它是一种商品性零件，根据使用要求合理选择其规格、型号后即可外购。常用螺纹紧固件的结构特点和应用情况见表10-3。类型图例结构特点和应用六角头螺栓种类很多，应用最广，精度分为A、B、C三级，通用机械制造中多用C级（左图）。螺栓杆部可制出一段螺纹或全螺纹，螺纹可用粗牙或细牙（A、B级）双头螺柱螺柱两端都制有螺纹，两端螺纹可相同或不同。螺柱可带退刀槽或制成腰杆，也可制成全螺纹的螺柱。螺柱的一端常用于旋入铸铁或有色金属的螺纹孔中，旋入后即不拆卸，另一端则用于安装螺母以固定其他零件螺钉螺钉头部形状有圆头、扁圆头、六角头、圆柱头和沉头等。头部起子槽有一字槽、十字槽和内六角孔等型式。十字槽螺钉头部强度高、对中性好，便于自动装配。内六角孔螺钉能承受较大的扳手力矩，联接强度高，可代替六角头螺栓，用于要求结构紧凑的场合表10-3常用标准螺纹紧固件紧定螺钉紧定螺钉的末端形状，常用的有锥端、平端和圆柱端。锥端适用于被紧定零件的表面硬度较低或不经常拆卸的场合；平端接触面积大，不伤零件表面，常用于顶紧硬度较大的平面或经常拆卸的场合；圆柱端压入轴上的凹坑中，适用于紧定空心轴上的零件位置自攻螺钉螺钉头部形状有圆头、六角头、圆柱头和沉头等。头部起子槽有一字槽、十字槽等型式。末端形状有锥端和平端等，多用于联接金属薄板、轻合金或塑料零件。在被联接件上可不预先制出螺纹，在联接时利用螺钉直接攻出螺纹六角螺母根据螺母厚度不同，分为标准的和薄的两种。薄螺母常用于受剪力的螺栓上或空间尺寸受限制的场合。螺母的制造精度和螺栓相同，分为A、B、C三级，分别与相同级别的螺栓配用类型图例结构特点和应用续表类型图例结构特点和应用圆螺母圆螺母常与止退垫圈配用，装配时将垫圈内舌插入轴上的槽内，而将垫圈的外舌嵌入圆螺母的槽内，螺母即被锁紧。常作为滚动轴承的轴向固定用垫圈垫圈是螺纹联接中不可缺少的附件，常放置在螺母和被联接件之间，起保护支承表面等作用。平垫圈按加工精度不同，分为A级和B级两种。用于同一螺纹直径的垫圈又分为特大、大、普大和小四种规格，特大垫圈主要在铁木结构上使用。斜垫圈只用于倾斜的支承面上续表10.2.3螺纹紧固件的材料及等级性能等级（标记）3.64.64.85.65.86.88.89.810.912.9抗拉强度极限bmin/MPa33040042050052060080090010401220屈服极限smin/MPa1902403403004204806407209401100硬度HBSmin90109113134140181232269312365推荐材料低碳钢低碳钢或中碳钢中碳钢，淬火并回火中碳钢，低、中碳合金钢，淬火并回火合金钢合金钢10Q21515Q23516Q235253515Q23545